^ в. д. Ломтадзе
ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР
в качестве учебника для студентов гидрогеологических
и инженерно-геологических специальностей, вузов
Р 0 1 I b ' f ^
'•JJI
^ Гпявная библиотека
с
3013616
Л Е Н И Н Г Р А Д •ГНЕДРА. Л Е Н И Н Г Р А Д С К О Е О Т Д Е Л Е Н И Е 1986
УДК 624.131.1: 6S3(075.8)
Ломтадзе В. Д. Инженерная геология месторождений полезных ископаемых: Учебник для вузов.—Л.: Недра, 1986.—272 с.
Рассмотрен широкий круг геологических вопросов и практических задач, возникающих при освоении различных месторождений полезных ископаемых: рудных, угольных, горнохимического сырья, строительных материалов и др.
Инженерно-геологическое изучение месторождений полезных ископаемых дает геологический материал для окончательной их промышленной оценки, обоснования способов вскрытия и системы разработки, конструкции карьеров
и подземных выработок, проектов организации производства строительных и |
||||
горных работ, |
оценки устойчивости горных |
пород в |
откосах |
уступов и бор- |
тах карьеров, |
в подземных выработках и |
отвалах. |
Весь этот |
круг вопросов |
освещен в предлагаемой |
работе. Кроме того, в ней рассмотрены принципы и |
||
методика рациональной |
организации |
инженер но-геологических исследований |
|
на всех стадиях разведки месторождений и при нх разработке. |
|
||
Для студентов гидрогеологических и инженерно-геологических |
специаль- |
||
ностей вузов. Может быть полезен и |
для инженерно-технических работников |
||
производственных, научных и проект но-изыскательских организаций, |
занима- |
||
ющихся проектированием и строительством горных предприятий и |
разработ- |
||
кой месторождений полезных ископаемых. |
|
||
Табл. 15, ил. 73, список лит. 57 назв. |
|
||
Ре ц е н з е н т ы :
1.Кафедра инженерной геологии и гидрогеологии Свердловского горного института имени В. В. Вахрушева
2. Професор, д-р техн. наук Г. Н. Кузнецов |
(ВНИМИ) |
ВАЛЕРИИ ДАВИДОВИЧ |
ЛОМТАДЗЕ |
И Н Ж Е Н Е Р Н А Я ГЕОЛОГИЯ |
|
М Е С Т О Р О Ж Д Е Н И И |
|
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ |
|
Редактор издательства Т. М. Пономарева |
||||||||
Переплет художника Ю. И. Прошлецова |
||||||||
Технический |
редактор Н. П. Старостина |
|
||||||
|
Корректор |
3. |
Г, Сегаль |
|
|
|||
И Б № 484в |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сдано в набор 20,08.85. Подписано в |
печать 30.12.85. М-32415. |
|||||||
Формат 60X901^,8. Бумага тип, № 2. |
Гарнитура |
литератур- |
||||||
ная, Печать высокая. Усл. печ. л. |
17. Усл. кр,-отт. 17,5 |
|||||||
Уч.-нзд. л. 18. Тираж ЗБОО экз. Заказ |
1672/620. Цена |
95 коп. |
||||||
Ордена «Знак Почета» издательство «Недра». |
|
|
||||||
Ленинградское отделение. 193171, Ленинград, С-171, |
|
|||||||
ул. ФарфорoBCKi»3, |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ленинградская 1«^oгpaфня |
Nt 4 |
ордена |
Трудового |
Красного |
||||
Знамени |
Ленинградского объедииеиня «Техническая |
книга» |
||||||
им. Евгении Соколовой Союзполиграфирома при Государст- |
||||||||
венном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и |
||||||||
книжной |
торговли, |
191126, |
Ленинград, |
Социалистическая |
||||
|
|
у л „ 14. |
|
|
|
|
|
|
Л |
|
|
|
|
© |
издательство «Недра», 1986 |
||
П Р Е Д И С Л О В И Е
Инженерная геология месторождений полезных ископаемых является новым, сложившимся и успешно развивающимся разделом (научным направлением) инженерной геологии. Она призвана обеспечивать эффективную работу горнодобывающих предприятий, развитие важнейшей базовой отрасли народного хозяйства СССР. Содержание этого раздела инженерной геологии составляет широкий круг геологических вопросов и практических задач, возникающих при освоении различных месторождений полезных ископаемых: рудных, угольных, нефтяных,, газовых, горнохимического сырья, минеральных удобрений, строительных материалов и др.
Задачами инженерно-геологического изучения месторождений полезных ископаемых являются: 1) геологическое обоснование окончательной промышленной их оценки, а также способов вскрытия и системы разработки, конструкций карьеров к подземных выработок, проектов организации производства строительных и горных работ, оценки устойчивости горных пород в откосах уступов и бортах карьеров, в подземных выработках и отвалах; 2) разработка инженерно-геологических основ рационального использования геологической среды и ее охраны от отрицательного воздействия предприятий горного производства; 3) разработка принципов и методов инженерно-геологи- ческих исследований и их организации на всех стадиях разведки месторождений и при их разработке, методов оценки и прогноза возникновения неблагоприятных геологических процессов и явлений и управления ими в нужном для человека направлении.
Таким образом, объектом исследований рассматриваемого раздела инженерной геологии, как и всех других геологических наук, служит геологическая среда; предметом — инженерногеологические условия строительства и эксплуатации шахт и карьеров и производства горных работ, т. е. функционирования бинарной системы геологическая среда — соорул<ения, инженерные работы; задачами — оценка и прогноз возникновения и развития неблагоприятных геологических процессов и явлений и разработка приемов и методов управления ими; методами — общенаучные и специальные методы инженерной геологии.
1» |
X |
Все перечисленное определяет самостоятельность рассматриваемого раздела в структуре инженерной геологии как науки. Наряду с этим он, как важнейшая составная часть инженерной геологии, подчиняется ее научному методу, который состоит в комплексном целенаправленном геологическом изучении причин возникновения, условий и динамикн развития геологических процессов и явлений, угрожающих жизни и деятельности человека, сохранности территорий и сооружений. Важнейшими средствами ее при этом являются разработка и применение ме-
тодов инженерно-геологического |
анализа процессов и явлений, |
их оценки, прогноза и управления |
ими. |
Не все вопросы инженерной геологии месторождений полез- |
|
ных ископаемых одинаково изучены и рассмотрены. Пока глав- |
|
ное внимание уделялось изучению инженерно-геологических условий месторождений твердых полезных ископаемых и совсем ограниченное—месторождений нефти и газа. Поэтому и в предлагаемом учебнике рассматриваются вопросы, относящиеся главным образом к месторождениям твердых полезных ископаемых.
Перед инженерной геологией месторождений полезных ископаемых, как и в целом перед инженерной геологией, возникла новая проблема, суть которой заключается в необходимости разработки предложений и рекомендаций по рациональному использованию геологической среды и ее охране от отрицательного воздействия предприятий горного производства. Исследования по этой проблеме выполняются, получены первые положительные результаты, однако много вопросов требует еще специального рассмотрения. В области этой актуальной современной проблемы необходимо еще очень много работать.
Фундаментальными задачами при инженерно-геологических исследованиях (изысканиях) всегда являются оценка свойств горных пород, инженерно-геологических условий территорий, месторождений, геологической среды и т. д, и прогноз их изменений под влиянием естественных и искусственных факторов. Виды, методы, приемы оценок и прогнозов разработаны пока совершенно недостаточно. В этом плане перед инженерной геологией стоят большие задачи.
Практика показывает, что между разведкой месторождений и их освоением существует разрыв, и поэтому как только воз-
никает задача проектирования шахт и карьеров |
и производ- |
|
ства горных работ, появляется необходимость |
в |
выполнении |
дополнительных исследований — изысканий на |
месторождениях. |
|
Это свидетельствует о том, что при их разведке, как и в процессе горно-эксплуатационных работ, неполно решаются инже- нерно-геологические задачи. Геологическая служба горных предприятий не укомплектована специалистами по инженерной геологии месторождений полезных ископаемых.
Одной из главных задач инженерной геологии месторождений полезных ископаемых как нового научного направления яв-
дяется разработка общей теории, рассматривающей условия функционирования бинарной системы геологическая среда —со- оружения и инженерные работы. Исследование условий функционирования этой системы предполагает изучение геологических условий строительства и эксплуатации шахт и карьеров я обеспечение безопасности ведения горных работ.
При разработке структуры и содержания предлагаемого учебника автор базировался на результатах новейших теоретических и методических исследований в области инженерной геологии, смежных наук и практики проектирования, строительства и эксплуатации горных сооружений. Поэтому приведенные в учебнике положения, рекомендации и выводы, так же как и
список литературы, |
относятся по |
времени |
преимущественно |
к последним 10—15 |
годам. Объем |
учебника |
не позволил рас- |
смотреть многие темы и вопросы более полно. Тем не менее главная его задача — обеспечить начало специализации молодежи в области нового, интереснейшего, базового научного направления инженерной геологии —выполняется.
Автор приносит искреннюю благодарность заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, профессору, доктору технических наук Г. Н. Кузнецову, доценту С. Г, Дубейковскому и коллективу руководимой им кафедры Свердловского горного института, а также доценту 9. И. Афанасиади за просмотр рукописи и сделанные замечания и пожелания. Считаю приятным долгом отметить, что подготовка к изданию рукописи была бы невозможна без большой и постоянной помощи А. М. Ломтадзе.
Автор будет искренне благодарен за добрые советы, пожелания и замечания, которые просит направлять по адресу: 199026, Ленинград, В-26, 21-я линия, д. 2, Ленинградский горный институт, кафедра инженерной геологии.
Глава I
ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ-
РАЗДЕЛ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ
1-1. Содержание и задачи инженерной геологии месторождений полезных ископаемых
Одним из новых, успешно развивающихся научных направлений инженерной геологии является инженерная геология меместорождений полезных ископаемых. В область его исследований входит широкий круг геологических вопросов и практических задач, возникающих при освоении различных месторождений; рудных, угольных, горнохимического сырья, строительных материалов и др. Инженерно-геологическое изучение месторождений полезных ископаемых должно давать геологические материалы для их промышленной оценки, обоснования способов вскрытия и системы разработки, конструкции карьеров и подземных выработок, проектов организации производства строительных и горных работ, оценки устойчивости горных пород в откосах уступов и бортах карьеров, в подземных выработках и отвалах.
Горные породы в условиях естественного залегания находятся в состоянии равновесия. При строительстве шахт и карьеров это равновесие часто нарушается под влиянием многих причин. Вследствие этого возникают и развиваются разнообразные геологические процессы и явления, реализующиеся в разрушении, деформациях, перемещении и сдвижении масс горных пород различных объемов. В подземных выработках и карьерах они проявляются также в различных видах водопритоков, фильтрационных деформациях, а в районах распространения многолетней мерзлоты — в явлениях мерзлотного комплекса. Фильтрационные деформации и явления мерзлотного комплекса также вызывают перемещения масс горных пород.
Природа и механизм различных видов перемещений и сдвижений масс горных пород в подземных выработках и откосах карьеров часто весьма сложны. Всестороннее их изучение, а также закономерностей развития, разработка методов прог-
ноза |
и управления ими — важнейшие задачи инженерной гео- |
логии |
месторождений полезных ископаемых. |
Разнообразные геологические вопросы, связанные с освоением месторождений полезных ископаемых, изучают и оценивают в инженерном аспекте, а прогноз изменений геологических условий составляют в связи со строительством сооружений (шахт, карьеров и др.) и проведением инженерных меро-
&
приятий. При этом местом инженерно-геологических исследований в зависимости от стадии освоения месторождений должны быть площади их распространения, отдельные участки, шахтные и карьерные поля и их части и, наконец, шахты и карьеры.
Теперь при проектировании и разработке месторождений полезных ископаемых к инженерной геологии предъявляются высокие требования. Развитие горных работ на все больших и больших глубинах, разработка ряда месторождений в сложных геологических условиях, подработка подземными выработками застроенных территорий, а в некоторых случаях занятых водоемами, и особенно широкое применение открытого способа разработки вызвали необходимость изменить отношение к изучению их инженерно-геологических условий. Кроме того, для расчета распределения напряжений в горных породах, равновесия их масс в горных выработках и откосах, для определения горного давления, прочности и устойчивости целиков и оснований сооружений, для проектирования инженерных защитных мероприятий требуются обоснованные расчетные схемы, расчетные показатели свойств горных пород, водоносных горизонтов, зон и комплексов, данные об изменении их во времени и при различных напряженных состояниях, о неоднородности и анизотропии свойств горных пород и условиях их работы. Все эти данные необходимы также в связи с применением новых методов расчета, новых способов и средств разработки месторождений полезных ископаемых.
Обводненность месторождений часто обусловливает значительные притоки воды в горные выработки, что вызывает необходимость предварительного и систематического осушения водоносных горизонтов, зон и комплексов. Такие вынужденные мероприятия, применяемые для обеспечения устойчивости горных пород в горных выработках и безопасности ведения горных работ, нередко значительно изменяют баланс подземных вод, истощают их ресурсы и нарушают условия водоснабжения населенных пунктов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Поэтому исследование и оценка степени обводненности, газоносности и геотермических условий месторождений полезных ископаемых, а в районах распространения многолетней мерзлоты — мерзлотных явлений являются важнейшими задачами их инженерно-геологического изучения.
Строительство горных предприятий и выполнение горноэксплуатационных работ постоянно вызывают изменения окружающей среды, рельефа поверхности земли, сохранности территорий и сооружений, загрязнение водоемов, рек и подземных вод и др. Поэтому оценка и прогноз изменений инженерно-гео- логических условий территорий, разработка мероприятий по рациональному их использованию и охране от вредных последствий горного производства, геологическое обоснование проектов по их рекультивации также являются одними из главных задач инженерной геологии месторождений полезных ископае-
мых, к этой проблеме относится также широкий круг геологических вопросов, связанных с рациональным размещением отвалов и гидроотвалов пустых пород (лишенных полезных компонентов) горного производства, оценкой и прогнозом их устойчивости и защитой прилегающих территорий от их вредного влияния. Наконец, важнейшими являются вопросы о возмол^ности использования горных выработок на отработанных месторождениях или отдельных их участках для объектов различного назначения — складов, силовых установок, гаражей, производственных предприятий и др.
В этом главным образом состоят содержание и задачи инженерной геологии месторождений твердых полезных ископаемых. Как видно из сказанного, она имеет большое научное содержание и практическое значение. Для решения научных, методических и производственных проблем и вопросов, связанных с освоением месторождений полезных ископаемых, в инженерной геологии месторождений, как и в других ее разделах, широко используются методы: геологический (естественноисторического анализа), геологического подобия, экспериментальный, моделирования, вероятностно-статистический и расчетно-теоре- тический.
1-2. Современное состояние инженерной геологии месторождений твердых полезных ископаемых
Создание инженерной геологии месторождений полезных ископаемых является заслугой большого числа главным образом советских ученых, и в первую очередь П. Н. Панюкова, С. В. Троянского, Д. И. Щеголева, М. В. Сыроватко, Г. Г. Скворцова, Н. И. Плотникова, С. П. Прохорова, Н. Г. Паукера, Ю. Н. Малюшицкого, П. В. Васильева, С. И. Малинина^ В. Л. Свержевского, Б. В. Смирнова, Г. А. Голодковской и многих других. Становлению этого направления особенно способствовало успешное развитие в нашей стране науки — механики горных пород (М. М. Протодьяконов, В. Д. Слесарен, П. М. Цимбаревич, Л. Д. Шевяков, И. М. Бахурин, С. Г. Авершин, Г. Н. Кузнецов, Д. А. Казаковский, М. М. Протодьяконов (мл.), Б. В. Матвеев, Г. Л. Фнсенко, К. В. Руппенейт, Г. А. Крупенников, Л. И. Барон, Н. Н. Куваев, С. И. Попов, И. А. Турчанинов и др.). Необходимостью развития инженерной геологии месторождений полезных ископаемых был обусловлен созыв многочисленных научных и научно-практических конференций, совещаний и симпозиумов по проблемам и вопросам этого раздела инженерной геологии.
Отмечая развитие нового научного направления и то, что в этой области инженерной геологии уже много сделано и делается советскими учеными, научными и учебными заведениями, производственными и проектными организациями, надо сказать, что многие важные и сложные вопросы еще либо
недостаточно разработаны, либо не разработаны вообще, так же как нет пока и научной работы, учебника или учебного пособия. более или менее полно отражающих содержание инженерной геологии месторождений полезных ископаемых и методы решения инженерно-геологических задач при проектировании их разработки и в период эксплуатации. Поэтому остановимся на состоянии изученности основных вопросов, охватывающих содержание и задачи этого нового научного направления.
Геологическое строение месторождений. Непосредственное изучение инженерно-геологических условий месторождений возможно только после их открытия, т. е. на стадиях предварительной и детальной разведки и разработки. Именно на этих стадиях инженерно-геологические исследования должны являться обязательной составной частью геологоразведочных ра- бот—частью дальнейшего геологического изучения месторождений в инженерном аспекте. Поэтому инженерно-геологическое изучение месторождений обычно начинается тогда, когда их геологическое строение в широком понимании этого слова изучено достаточно детально, соответственно стадии геологоразведочных работ.
Геологические материалы по всем горнопромышленным районам, бассейнам, рудным поясам и полям, отдельным месторождениям, шахтным и карьерным полдм и т. д. огромны; частично они опубликованы, но главным образом хранятся в геологических фондах. По геологии месторождений полезных ископаемых имеются крупные обобщения в виде монографий, руководств, учебников, отражающие генетические, минералогические, петрографические, стратиграфические, структурно-текто- нические и другие вопросы. Материалы, касающиеся различных сторон геологии месторождений, освещены также в бесконечном числе докладов, статей, заметок. В общем геологическое строение месторождений полезных ископаемых, особенно разрабатываемых и разведанных, обычно изучено хорошо.
Тем не менее некоторые вопросы, представляющие первостепенный интерес в инженерно-геологическом плане, чаще всего изучены недостаточно полно. Например, нередко оказывается недостаточно изученным геологический разрез толщ, образующих вскрышу месторождений, петрографические особенности, распространение, условия залегания, геологические типы поверхностей и зон ослабления в рудовмещающих и угленосных толщах пород и в породах, образующих вскрышу месторождений. Обычно недостаточно изучаются в количественном отношении степень трещиноватости горных пород, их закарстованность, выветрелость и некоторые другие структурно-петро- графические и структурно-тектонические особенности. Наконец, при разведке месторождений пока, как правило, не уделяется должного внимания изучению напряженного состояния горных пород, особенно избыточных напряжений. Такие наблюдения и измерения редки и отрывочны. Следовательно, дальнейшее гео-